Vnitřní navigace založená na WLAN. Jaké jsou nové technické možnosti?

Term Paper , 2014 , 11 Pages , Grade: 1,7

Engineering - Naval Engineering, Ocean Engineering

Při vstupu do neznámé budovy vzniká problém, že se návštěvník musí v této budově zorientovat a co nejrychleji najít požadovaný cíl. To lze vyřešit vyhledáváním a navigací pomocí mobilního zařízení. V tomto článku se blíže podíváme na téma navigace uvnitř budov a představíme jeden z nejdůležitějších lokalizačních a navigačních systémů. Tato technologie využívá určování polohy WLAN pomocí otisků prstů.

Obsah

1 Úvod
1.1 Problém
1.2 Cíl práce
1.3 Vymezení předmětu

2 Definice důležitých pojmů

3 Současný stav praxe
3.1 Technologie WLAN s podporou senzorů
3.2 Oblasti použití

4 Závěr

5 Bibliografie

1 Úvod

1.1 Problém

Vzhledem k rychlému vývoji mobilních zařízení, zejména pokud jde o jejich výkon, se možnosti navigace pomocí těchto zařízení rozšiřují. Zejména v oblasti vnitřní navigace je stále velký potenciál. Problém je v tom, že uvnitř budov není signál GPS dostupný, a proto není možná navigace pomocí běžných aplikací, protože již nepřijímají signál ze satelitů, a proto nelze určit polohu mobilního zařízení.¹ Tento problém řeší technické varianty vnitřní navigace, které jsou vysvětleny v tomto článku. Možnosti indoor navigace však mají i své problémy, takže mnohé technologie mají vysokou pořizovací hodnotu, protože nejprve musí být k dispozici mapové podklady, které se obvykle musí nejprve digitalizovat. V mnoha oblastech musí být technologie také dodatečně vybavena, aby bylo skutečně dosaženo požadovaného výkonu. Svou roli hraje také přesnost určení polohy, proto je důležité, aby technologie dokázala zajistit vysokou přesnost výpočtu polohy.²

Toto téma má pro nás zvláštní význam, protože tyto technologie mají velký potenciál a umožňují zajistit bezproblémovou navigaci uvnitř budov. Množství možností činí toto téma velmi zajímavým a je důležité zjistit, která z těchto technických možností je skutečně vhodná pro použití a tím i zajímavá pro uživatele.

Cílem práce je poskytnout čtenáři přehled o vnitřní navigaci založené na síti WLAN. Dále ukazuje, že taková navigace uvnitř budov je již možná, a také ukazuje, jaké překážky stále existují.³

1.2 Cíl práce

Prioritou práce je zkoumání různých možností navigace uvnitř budov a toho, jak by mohla vypadat v budoucnu. Mělo by být objasněno, jaké jsou technické možnosti navigace uvnitř budov a jak je lze zlepšit, aby byla navigace v budovách ještě přesnější. Bude ukázáno, co je možné při současném stavu techniky. Dále ukážeme vývoj navigace uvnitř budov a porovnáme stav praxe a stav výzkumu.

1.3 Vymezení předmětu

Toto téma se zabývá výhradně možnostmi, které jsou omezeny na navigaci uvnitř budov a jsou natolik přesné při určování polohy, že je možná přesná navigace. Vyloučeny jsou také pasivní možnosti, jako je navigace pomocí čipů RFID, protože tyto technologie mají příliš vysoké pořizovací náklady.

Půjdeme do navigace s podporou WLAN, přesněji řečeno s technologií otisků prstů, protože ta má ve srovnání s jinými možnostmi nízké pořizovací náklady. Kromě toho je síť WLAN velmi rozšířená, zejména v nákupních centrech a na letištích, a poskytuje tak vysokou hustotu vysílačů signálu pro přesné určení polohy.

2 Definice důležitých pojmů

- Vnitřní navigacese používá k určení polohy uvnitř budov, kde není signál GPS. Určení polohy je určení vlastní polohy. Tato poloha se používá pro zbývající výpočty navigačního procesu a je důležitou součástí, proto se v pravidelných intervalech aktualizuje, aby umožnila přesnou navigaci.⁴

- Metoda otisků prstův lokalizaci WLAN se používá k určení polohy uživatele a jeho mobilního zařízení. Otisky síly signálu přijímaného směrovače WLAN, v tomto případě hodnoty BSSI, se ukládají do databáze. Ty se později načtou během navigace a na základě různých sil signálu lze určit polohu. Tento postup se nazývá otisk prstu, protože každá konstelace různých sil signálu existuje pouze jednou, jako otisk prstu.⁵

- Gyrosenzory a akcelerometry v chytrém telefonu se používají k výpočtu zrychlení a orientace uživatele mobilního telefonu. Gyrosenzory měří rotaci mobilního telefonu pomocí gravitační síly Země, aby bylo možné zaznamenat zrychlení, rotační pohyb a změny polohy. Výsledky se používají pro další výpočty v procesu navigace.⁶

Algoritmy v této práci slouží k výpočtu nejkratší cesty. To vychází z lidské povahy, která chce vždy jít nejkratší cestou a nerada se vydává oklikami. Výpočet úspěšnosti cesty se ve většině případů provádí podle Dijkstaova algoritmu, protože ten vždy počítá nejoptimálnější cestu.⁷

3 Současný stav praxe

V následujícím textu nejprve popíšeme technologii, která se dnes prakticky používá, jak funguje a co umožňuje. Poté jsou stručně vysvětleny oblasti jeho použití. Je popsáno, jak funguje navigace v budovách pomocí technologie WLAN s podporou senzorů a jaké procesy probíhají během této navigace, aby se osoba dostala do požadovaného cíle.

3.1 Technologie WLAN s podporou senzorů

V praxi se pro vnitřní navigaci používá technologie WLAN založená na senzorech. K realizaci vnitřní navigace je zapotřebí velmi jednoduchá systémová infrastruktura. Za prvé, v budově, kde chcete navigovat, je zásadní základní síť přístupových bodů WLAN. Identifikátor každé vysílací stanice se nazývá Basic Service Set Identifier (BSSID).⁸ Za druhé, potřebujete mobilní zařízení, kterým může být smartphone, například iPhone. Každé mobilní zařízení má senzory, které plní podpůrné funkce pro dosažení lepší polohy. Pro navigaci je také zapotřebí digitální mapa nebo plán budovy, který je uživateli kdykoli k dispozici v mobilním zařízení nebo na externím serveru.⁹ Za třetí, potřebujete externí server, který provádí výpočet naměřených dat, obsahuje také referenční databázi a dříve vytvořenou databázi otisků prstů. Databáze otisků prstů obsahuje referenční údaje pro metodu otisků prstů, tj. hodnoty síly signálu okolních sítí WLAN v závislosti na poloze mobilního zařízení.¹⁰

Pro spuštění navigace si uživatel musí stáhnout příslušnou aplikaci a nainstalovat program. Při vstupu do budovy je uživatel dotázán, zda chce spustit navigaci. Uživatel po stisknutí tlačítka Start neví, jaké procesy pracují na pozadí, vidí pouze grafické rozhraní mobilního zařízení. Během této doby senzory měří rychlost jeho pohybu, snaží se určit, kam se pohybuje, a určují směr jeho orientace. Údaje z gyroskopu a kompasu umožňují správný výpočet orientace a gyroskop a akcelerometr určují relativní zrychlení. Tato data jsou uložena v mobilním zařízení.¹¹

Současně se provádí postup snímání otisků prstů. Síly signálu okolních sítí WLAN se měří a spolu s jejich identifikátory se nejprve zformátují a poté uloží do mobilního zařízení.¹² Na základě těchto naměřených údajů se vytvoří otisk prstu. Otisk obsahuje identifikátor každé vysílací stanice a její naměřenou hodnotu síly signálu, která je záporná, v rozmezí -10 až -96, kde -10 představuje nejsilnější příjem a -96 nejslabší. Kombinace různých BSSID a jejich síly signálu je obvykle jedinečná, podobně jako otisk prstu, a proto se tato metoda takto nazývá. Pokud změníte polohu mobilního zařízení, změní se i hodnoty síly signálu těchto sítí.¹³ Po vytvoření otisku prstu se aktuální naměřená data odešlou na server a porovnají se s daty z databáze otisků prstů. Server vrátí hodnoty shody ve formě ID umístění. Nemůže však propojit ID polohy s konkrétním místem, protože konečné propojení se provádí v mobilním zařízení. Děje se tak z důvodu ochrany osobních údajů, takže v centrálním umístění není možné zjistit, kde se který uživatel v daném okamžiku nachází.¹⁴ Po porovnání předpokládané polohy, která byla určena pomocí senzorů, s výsledkem postupu snímání otisků prstů se na mobilním zařízení zobrazí poloha uživatele.¹⁵

Po určení polohy může uživatel zadat svůj cíl. Aplikace je neustále připojena k serveru, kterému předává požadavek a provádí výpočet trasy pomocí různých algoritmů a jejich kombinací. Po analýze pohybových vzorců lidí, jak již bylo vysvětleno v základech, chtějí dosáhnout cíle co nejdříve, a proto obvykle volí nejkratší trasu. Proto jsou v tomto článku popsány nejčastěji používané algoritmy, které počítají nejkratší cestu. Jedná se o Dijkstrův algoritmus. Vypočítá nejkratší cestu z výchozího bodu do všech ostatních bodů v propojeném a váženém grafu. Floydův algoritmus také počítá nejkratší¹⁶ cestu, ale oproti Dijkstrovu algoritmu ze všech bodů do všech ostatních bodů, takže při změně polohy se nejkratší cesta automaticky přepočítá.¹⁷ Algoritmus A* neukáže vždy optimální cestu, ale je rychlejší ve výpočtu, protože se používá heuristika, která redukuje skutečné výpočty.¹⁸ Po výpočtu se uživateli na displeji zobrazí trasa. Uživatel je naveden na požadované místo.

Řešení Sensor Fusion pro vnitřní navigaci nabízí řadu kombinací různých technologií, které umožňují následující výhody:¹⁹

1. Přesnější polohování
Dosavadní zkušenosti ukázaly, že navigace uvnitř budov je chybná pouze na základě údajů ze senzorů nebo technologie WLAN. Pokud však použijete kombinaci obou metod, dosáhnete mnohem přesnějších výsledků.²⁰
2. Poskytovatelé třetích stran mohou využívat sledování uvnitř budov
Například prodejci mají možnost zasílat zákazníkům, kteří se nacházejí v jejich bezprostřední blízkosti, reklamu nebo informace o svých výrobcích a společnostech.²¹
3. Vnitřní navigace s nižšími náklady
Systémová infrastruktura, která se skládá pouze z externího serveru a mobilního zařízení, jakož i stavebního plánu, je ve srovnání s ostatními technologiemi nákladově efektivnější.²²
4. Lepší výsledky i s malým množstvím referenčních údajů
K provedení postupu snímání otisků je nutné mít k dispozici velké množství referenčních dat, protože s každým krokem uživatele se mění poloha jeho mobilního zařízení a v důsledku toho se mění i intenzita signálu okolních sítí WLAN. Pokud referenční údaje chybí, může to vést k chybným předpokladům o poloze.²³ Zde pomáhají dodatečná data ze snímačů chytrého telefonu
5. Nižší spotřeba baterie, kapacita paměti, kratší výpočetní čas
Kvůli mnoha výpočtům a měřením je akumulátor chytrého telefonu velmi zatížen, mobilní zařízení potřebuje více energie. Aby se snížilo zatížení mobilního zařízení a zkrátila se doba výpočtu, všechny složité výpočty se provádějí na externím serveru, který vyžaduje rychlou síť Wi-Fi.²⁴

Vnitřní navigace založená na technologii WLAN má tu výhodu, že v dnešní době umožňuje každému mobilnímu zařízení provádět navigaci, a tím určit přesnou polohu. Zejména kombinace technologie WLAN s různými senzory mobilního zařízení umožňuje ještě přesnější určení polohy, ale také se tím velmi šetří baterie a můžete se déle navigovat.

3.2 Oblasti použití

Výše uvedené řešení vnitřní navigace se dnes používá v různých oblastech. Již v červenci 2013 nabídl Kaiser's jako první německý maloobchodní řetězec zákazníkům ve svém supermarketu v Berlíně vnitřní navigaci. Nakupující mají možnost nechat se iPhonem navést k požadovanému produktu nebo projít celý nákupní seznam s optimalizovanou trasou. Ačkoli optimální cesta se nezobrazuje vždy, protože zájmy prodejce se ne vždy shodují se zájmy zákazníka. Pokud si prodejce například přeje, aby vaše cesta nevedla kolem reklamního zboží, nebo naopak, abyste byli vedeni určitými cestami v nákupním centru, může to projednat s poskytovatelem, který podle toho naprogramuje algoritmy.²⁵

Velký význam má navigace uvnitř budov, kde je orientace pro lidi příliš složitá. Stejně jako například na letištích jsou budovy příliš nepřehledné, takže se cestující obávají, že nenajdou správnou bránu nebo že kvůli krátkému času zmeškají odlet, což omezuje jejich pohyb v budově. Pomocí vnitřní navigace se zvyšuje spokojenost zákazníků a zajišťuje se včasný nástup. Dalšími aspekty jsou zvýšení příjmů a posílení loajality zákazníků. Vnitřní navigace se používá pro marketing/kupónování. Vnitřní navigace umožňuje přístup k prodejcům třetích stran, kteří mohou propagovat nejatraktivnější nabídky na základě konkrétního místa prostřednictvím push zpráv nebo překryvných prvků v navigaci, protože letiště generují až 50 % svých příjmů prostřednictvím obchodů a restaurací. Kromě toho se data využívají také pro analytické účely. I anonymizované údaje, například o tom, kde se cestující nacházejí, kde je největší tlačenice, mohou přinést cenné informace. Tyto informace slouží k optimalizaci provozních procesů, určení optimálního umístění nových prodejen, optimalizaci průchodů a únikových cest.²⁶

V muzeích rozpozná mobilní naváděcí systém polohu návštěvníků a ukáže jim okolní exponáty. Návštěvníci si vyberou exponáty, které je zajímají, a získají další informace ve formě videí, fotografií a animací.²⁷

Návštěva veletrhu bude snadná a efektivní také díky řešením pro navigaci v budovách. Prostřednictvím aplikace získá návštěvník kompletní seznam vystavovatelů na veletrhu, podrobné informace o firmě a jejích produktech. Aplikace je přizpůsobitelná, tj. návštěvník si může vybrat firmy, které ho skutečně zajímají, a bude k nim naveden nejkratší cestou. I tyto firmy mají své výhody, mají přehled o svých potenciálních zákaznících a mohou je konkrétně oslovit, lépe prezentovat své kontaktní údaje a informace o produktech.²⁸

[...]

---

¹ Viz Obermaier, J. (2011), s. 2.

² Viz Obermeier, J. (2011), s. 3.

³ Viz Gleim, D. (2012), s. 2.

⁴ Viz Oschatz, A. (2011), s. 6.

⁵ Viz Oschatz, A. (2011), s. 13 ; Viz Teker, U. (2005), s. 91.

⁶ Viz DATACOM Buchverlag (2014).

⁷ Viz Schwanengel, A. (2010), s. 45.

⁸ Srov. Schelewsky, M.; Januschat, H.; Bock, B.; Stephan, K. (2014), s. 53 ; Dalhaus, M. (2006), s. 30.

⁹ Srov. Gleim, D. (2012), s. 17 / Köppe, E. (2014), s. 27-28.

¹⁰ Srov. Obermaier, J. (2011), s. 6 ; Meyer J. (2013), s. 83 ; Teker, U. (2005), s. 58.

¹¹ Srov. Werner, M. (2012), s. 19.

12Viz Oschatz, A. (2011), s. 13 ; Viz Teker, U. (2005), s. 91.

¹³ Srov. Schelewsky, M.; Januschat, H.; Bock, B.; Stephan, K. (2014), s. 54 ; LMU Mnichov

¹⁴ Viz Gleim, D. (2012), s. 53.

¹⁵ Srov. Bock , B.; Löwel, Th. ; Rosch, J.; Ritzer, J.; Lienkamp, M.; Twele, H.; Stürzekarn , D. (2014), s. 54.

¹⁶ Viz Schwanengel, A. (2010), s. 45.

¹⁷ Srov. Kalbacher, M. (1996), s. 57.

¹⁸ Srov. Plümer, L.; Schmittwilken, J.;. Kolbe, Th. H. (2004), s. 8

¹⁹ Viz Gleim, D. (2012), s. 30.

²⁰ Viz Gleim, D. (2012), s. 30.

²¹ Srov. Schelewsky, M.; Januschat, H.; Bock, B.; Stephan, K. (2014), s. 59.

²² Viz Oschatz, A. (2011), s. 14.

²³ Viz Gleim, D. (2012), s. 20-76.

²⁴ Srov. Huber, Th. ; Kreuzer, J. ; Diemer, R. (2007), s. 73 ; Fuchs,Th. (2009) , s.134.

²⁵ Srov. Lebensmittelzeitung.net (2013) ; Tarin, W. (2013), s. 95.

²⁶ Srov. Schelewsky, M.; Januschat, H.; Bock, B.; Stephan, K. (2014), s. 54 ;

Rhein- Neckar Zeitung (2014) ; Insoft TV Documentary

²⁷ Srov. Fraunhofer IIS. awiloc (2012)

²⁸ Viz Fraunhofer IIS (2011) ; Insoft (2014).

• College: University of Applied Sciences Braunschweig / Wolfenbüttel; Salzgitter
• Grade: 1,7
• Author: Valentina Barysava (Author)
• Publication Year: 2014
• Pages: 11
• Catalog Number: V1034778
• ISBN (eBook): 9783346471765
• Language: Czech
• Tags: snímání otisků prstů, gyroskop, vnitřní navigace, vnitřní navigace na bázi wlan technologie wlan, technologie wlan, technologie wlan s podporou senzorů, Dijkstrův algoritmus, snímač zrychlení, marketing/kupónování, Floydův algoritmus, identifikace polohy, Algoritmus A*